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1、第三章 基因组的结构和功能基因（基因（基因（基因（genegenegenegene）是核酸的中贮存遗传信息的遗传单位，是贮存有功能的蛋白是核酸的中贮存遗传信息的遗传单位，是贮存有功能的蛋白质多肽链或质多肽链或RNARNA序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序序列信息及表达这些信息所必需的全部核苷酸序列（列（P27P27）。）。从生化学上来说从生化学上来说指的是一段指的是一段DNADNA或或RNARNA（病毒）顺序，该顺序（病毒）顺序，该顺序可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。可以产生或影响某种表型，可以由于突变生成等位基因变异体。从遗传学上来说从遗传学上来说代表代表1
2、1个遗传单位个遗传单位、1 1个功能单位、个功能单位、1 1个交换单个交换单位或位或1 1个突变单位。个突变单位。表型和基因型表型和基因型表型和基因型表型和基因型 某一机体可以观察到的特征称为表型某一机体可以观察到的特征称为表型（phenotypephenotype），与表型相应的基因组成称为基因型），与表型相应的基因组成称为基因型（genotypegenotype）。如细菌能否合成亮氨酸记为）。如细菌能否合成亮氨酸记为Leu+Leu+和和Leu-Leu-，相应，相应的基因型为的基因型为Leu+Leu+和和Leu-Leu-。等位基因等位基因等位基因等位基因 （1 1）二倍体细胞有二倍体细胞有2
3、 2套基因，一套来自父本，另套基因，一套来自父本，另一套来自母本，每个细胞的全部基因均由一套来自母本，每个细胞的全部基因均由2 2套基因组成，每一对套基因组成，每一对基因称做等位基因。基因称做等位基因。（2 2）由于突变作用引起由于突变作用引起DNADNA结构变异，所以某一结构变异，所以某一基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称基因可具有若干种不同的形式，这种同一基因不同的形式互称等信基因（等信基因（alleleallele）。）。基因的基本结构基因的基本结构基因的基本结构基因的基本结构55、AGCCGACTATGTCGAAGCTTAGCCGACTATGTCGAAGCTT、GC
4、TTGACTATAAGACAGCTTGACTATAAGACA、3333、TCGGCTGATACAGCTTCTAATCGGCTGATACAGCTTCTAA、CGAACTGATATTCTGTCGAACTGATATTCTGT、55转录调控区转录调控区 贮存贮存RNARNA或蛋白质结构信息区或蛋白质结构信息区 转录终止区转录终止区基因组（基因组（基因组（基因组（gencmegencmegencmegencme）细胞或生物中，一套完整单倍体遗传特质的总和（包括一种细胞或生物中，一套完整单倍体遗传特质的总和（包括一种细胞或生物中，一套完整单倍体遗传特质的总和（包括一种细胞或生物中，一套完整单倍体遗传特质的
5、总和（包括一种生物所需的全套基因及间隔序列）称为基因组（生物所需的全套基因及间隔序列）称为基因组（生物所需的全套基因及间隔序列）称为基因组（生物所需的全套基因及间隔序列）称为基因组（P27P27P27P27）。）。）。）。基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分列中的分基因组的结构主要指不同的基因功能区域在核酸分列中的分布和排布情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。布和排布情况，基因组的功能是贮存和表达遗传信息。人类基因组包含多染色体和人类基因组包含多染色体和XYXY两条性染色体上的全部遗传物两条性染色体上的全部遗传物质（核基因组）以及胞线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）质（核基因组）以
6、及胞线粒体上的遗传物质（线粒体基因组）。（X X X X免疫基因，男免疫基因，男免疫基因，男免疫基因，男XYXYXYXY，女，女，女，女XXXXXXXX）。）。）。）。*1*1*1*1个配对（精子或卵子），个配对（精子或卵子），个配对（精子或卵子），个配对（精子或卵子），1 1 1 1个单倍体细胞或个单倍体细胞或个单倍体细胞或个单倍体细胞或1 1 1 1个病毒所包个病毒所包个病毒所包个病毒所包含的全套基因，称为基因组含的全套基因，称为基因组含的全套基因，称为基因组含的全套基因，称为基因组。第一节第一节 原核基因组原核基因组Prokaryotic genome Prokaryotic genom
7、e 以细菌为代表讲述，有称以细菌为代表讲述，有称bacteria genomebacteria genome。细菌对。细菌对医学分子生物学有重要贡献，是基因工程研究的主要材料之一。因为：医学分子生物学有重要贡献，是基因工程研究的主要材料之一。因为：1.1.1.1.构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养构造相对简单，基因结构也不复杂，取材便利，易于培养，可选择突变，可选择突变株进行研究，实验结果容易重复。（如选择株进行研究，实验结果容易重复。（如选择DDDPIDDDPI缺乏的缺乏的Ec
8、oliEcoli突变株，突变株，EcoliEcoli仍可合成仍可合成DNADNA，说明酸，说明酸I I对对EcoliDNAEcoliDNA合成不起作用。）合成不起作用。）2.2.2.2.与人类有共同的要子生物学规律可，如与人类有共同的要子生物学规律可，如与人类有共同的要子生物学规律可，如与人类有共同的要子生物学规律可，如：（1 1）遗传物质都是）遗传物质都是DNADNA；（2 2）主要的功能分子都是蛋白质；）主要的功能分子都是蛋白质；（3 3）基因密码是通用的，等等。）基因密码是通用的，等等。3.3.3.3.尤其是尤其是尤其是尤其是E.coli,E.coli,E.coli,E.coli,是分子
9、克隆是是分子克隆是是分子克隆是是分子克隆是“明星明星明星明星“,“,“,“,基因工程主要原因的工程菌，因基因工程主要原因的工程菌，因基因工程主要原因的工程菌，因基因工程主要原因的工程菌，因为基因工程的主要工作是克隆克核基因在原核系统中表达。为基因工程的主要工作是克隆克核基因在原核系统中表达。为基因工程的主要工作是克隆克核基因在原核系统中表达。为基因工程的主要工作是克隆克核基因在原核系统中表达。一、原核生物基因组结构与功能的特点一、原核生物基因组结构与功能的特点一、原核生物基因组结构与功能的特点一、原核生物基因组结构与功能的特点1.1.基因组通常仅由基因组通常仅由一条环状双链一条环状双链一条环状
10、双链一条环状双链DNADNADNADNA分子组成。分子组成。分子组成。分子组成。其其DNADNA是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将之称是与蛋白质结合，但并不形成染色体结构，只是习惯上将之称为染色体。细菌染色体为染色体。细菌染色体DNADNA在胞内形成一个致密区域，即类核在胞内形成一个致密区域，即类核（nucleoidnucleoid），类核无核膜将之与胞浆分开。），类核无核膜将之与胞浆分开。2.2.基因组中基因组中只有只有只有只有1 1 1 1个复制起点个复制起点个复制起点个复制起点。3.3.具有操纵子结构。具有操纵子结构。具有操纵子结构。具有操纵子结构。操纵子（操纵子（ope
11、ronoperon）是指数个功能相关的结构基因串联在一起，是指数个功能相关的结构基因串联在一起，构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动和操纵区）及其下游的构成信息区，连同其上游的调控区（包括启动和操纵区）及其下游的转录终止信号构成的基因表达单位。（见第六章）转录终止信号构成的基因表达单位。（见第六章）4.4.结构基因无重叠现象，结构基因无重叠现象，结构基因无重叠现象，结构基因无重叠现象，基因组中任何一段基因组中任何一段DNADNA不会用于编码不会用于编码2 2种蛋白种蛋白质。质。5.5.基因序列是连续的，无内含子结构。基因序列是连续的，无内含子结构。基因序列是连续的，无内含子结构。基因序列是
12、连续的，无内含子结构。6.6.编码区和非编码区编码区和非编码区编码区和非编码区编码区和非编码区（主要是调控序列）（主要是调控序列）在基因组中约各占在基因组中约各占在基因组中约各占在基因组中约各占50%50%50%50%。（5%5%，95%95%）7.7.基因组中的基因组中的重复序列重复序列很少。很少。编码蛋白质结构基因多为单拷贝，但编码编码蛋白质结构基因多为单拷贝，但编码rRNArRNA的基因往往是多拷贝的的基因往往是多拷贝的，这有利于核糖体的快速组装。（这有利于核糖体的快速组装。（15AA/15AA/秒，秒，2AA/2AA/秒）秒）8.8.具有编码同功酶的基因（具有编码同功酶的基因（具有编码
13、同功酶的基因（具有编码同功酶的基因（isogeneisogeneisogeneisogene）这是一类结构不完全相同，而功这是一类结构不完全相同，而功能相同的基因。如含有能相同的基因。如含有2 2个编码乙酸乳酸合成酶的基因和个编码乙酸乳酸合成酶的基因和2 2个编码分支酸个编码分支酸变位酶同工酶的基因。变位酶同工酶的基因。9.9.9.9.细菌基因组中存在可移动的细菌基因组中存在可移动的细菌基因组中存在可移动的细菌基因组中存在可移动的DNADNADNADNA序列，包括插入序列和转座子。序列，包括插入序列和转座子。序列，包括插入序列和转座子。序列，包括插入序列和转座子。10.10.原核基因的基本结构
14、特点：原核基因的基本结构特点：原核基因的基本结构特点：原核基因的基本结构特点：启动子（启动子（promoterpromoter）、操纵基因（）、操纵基因（operatoroperator）、调控序列、结构）、调控序列、结构基因（基因（structure genestructure gene）、终止子（）、终止子（terminatorterminator）。（见第六章）。（见第六章）二、染色体外的遗传物质二、染色体外的遗传物质二、染色体外的遗传物质二、染色体外的遗传物质质粒质粒质粒质粒（一）概念（一）概念 1 1 1 1.质粒（质粒（质粒（质粒（plasmidplasmidplasmidplas
15、mid）是独立于许多细菌及某些真核细胞染是独立于许多细菌及某些真核细胞染色体外共价闭合环状的色体外共价闭合环状的DNADNA分子（分子（covalant closed covalant closed circnlar,cccDNAcircnlar,cccDNA），能独立复制的最小遗传单位。（），能独立复制的最小遗传单位。（P35-6P35-6）2.2.2.2.质粒是双链的质粒是双链的质粒是双链的质粒是双链的DNADNADNADNA分子，大小在分子，大小在分子，大小在分子，大小在1200kb1200kb1200kb1200kb之间，和病毒不同，之间，和病毒不同，之间，和病毒不同，之间，和病毒不同
16、，它们没有衣壳蛋白（裸它们没有衣壳蛋白（裸它们没有衣壳蛋白（裸它们没有衣壳蛋白（裸DNADNADNADNA）。）。）。）。从生化学来说，从生化学来说，从生化学来说，从生化学来说，除酵母的杀伤质粒（除酵母的杀伤质粒（killer plasmidkiller plasmid）是是RNARNA外，其余质粒是染色体外的外，其余质粒是染色体外的cccDNAcccDNA分子。分子。从遗传学来说，从遗传学来说，从遗传学来说，从遗传学来说，质粒是与宿主染色体有别的复制子（真质粒是与宿主染色体有别的复制子（真核细胞分裂过程中，核细胞分裂过程中，DNADNA纤维分成许多复制单位，该单位称纤维分成许多复制单位，该单
17、位称为复制子）。在细胞分裂时能恒定传递给交代细胞的独立遗为复制子）。在细胞分裂时能恒定传递给交代细胞的独立遗传因子或能在胞内寄生和复制的复制子。传因子或能在胞内寄生和复制的复制子。3.3.质粒与宿主细胞的关系质粒与宿主细胞的关系（1 1）质粒对宿主的生存不是必需的，只是质粒对宿主的生存不是必需的，只是“友好友好”的的“借居借居”宿主宿主细胞中，细胞中，既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒既不杀伤细胞，对宿主的代谢活动也无影响，宿主离开质粒照样的生存下去。照样的生存下去。（2 2 2 2）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的）质粒
18、离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的）质粒离开宿主就无法生存，只有依赖宿主细胞的（酶和蛋白质）（酶和蛋白质）帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。帮助，才能完成自身的复制（扩增）、转录。（3 3 3 3）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能）质粒经常为宿主执行一些适当的遗传功能，作为对宿主细胞的作为对宿主细胞的补偿（补偿（“交房租交房租”）。）。（4 4 4 4）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），
19、）质粒赋于宿主各种有利的表型（质粒编码蛋白质或酶），使宿使宿主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基主获得生存优势，与我们基因工程实验紧密相关的，如抗生素抗性基因：因：AmpAmpr r 酶，水解酶，水解-内酰胺环内酰胺环,解除氨关毒性解除氨关毒性,使细菌抗氨关。使细菌抗氨关。TetTetr r 膜蛋白膜蛋白,可阻止四环素进入细胞可阻止四环素进入细胞,使细菌抗四环素。使细菌抗四环素。4.4.质粒发现和研究意义质粒发现和研究意义 1 1 1 1）理论意义）理论意义）理论意义）理论意义 质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子质粒能够复制、传递和表达遗传信息，从分子遗传学观点来
20、看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，遗传学观点来看是一种有机体，是比病毒更原始的生命形式，是生命起源研究的起一块体重要基石。是生命起源研究的起一块体重要基石。是生命起源研究的起一块体重要基石。是生命起源研究的起一块体重要基石。2 2 2 2）实践意义）实践意义）实践意义）实践意义 是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（是基因工程的重要载体（vectorvectorvectorvector），能把外源），能把外源），能把外源），能把外源基因基因基因基因（目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达（见目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达（见目的基因）送到
21、宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达（见目的基因）送到宿主细胞中去克隆扩增或克隆表达（见第八章）。第八章）。第八章）。第八章）。质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，质粒是可以改造的，可以剪切、剪接的，基因工程的重要基因工程的重要任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个任务之一就是严格改造质粒的同时，控制质粒不传递，若一个致癌质粒可以传递就会传到外都是。致癌质粒可以传递就会传到外都是。作为基因工程载体的作为基因工程载体的作为基因工程载体的作为基因工程载体的3 3 3 3个特点：个特点：个特点：个特点：A.A.都能独立
22、自主的复制；都能独立自主的复制；B.B.都能便利的加以检测（抗生素抗性）；都能便利的加以检测（抗生素抗性）；C.C.都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯都能容易引进宿主细胞中去，也易从宿主细胞中分离纯化（提质粒）。化（提质粒）。质粒符合上述质粒符合上述3 3个条件。个条件。基因工程中主要使用人工构建的质粒。基因工程中主要使用人工构建的质粒。（二）质粒的分类（二）质粒的分类 1.1.1.1.按质粒的复制机理，分为按质粒的复制机理，分为按质粒的复制机理，分为按质粒的复制机理，分为2 2 2 2类类类类：1 1 1 1）严谨控制型（）严谨控制型（）严谨控制型（）严谨控制型（stringe
23、nt contrd typestringent contrd typestringent contrd typestringent contrd type）2 2 2 2）松弛控制型（）松弛控制型（）松弛控制型（）松弛控制型（relaxed control typerelaxed control typerelaxed control typerelaxed control type）(1)(1)拷贝数少，一般拷贝数少，一般1010个，分子量大；个，分子量大；(1)(1)拷贝数多，拷贝数多，10-20010-200个，分子量小；个，分子量小；(2)(2)复制受限，受细菌宿主复制受限，受细菌宿主
24、DNADNA复制系复制系 (2)(2)复制不受细菌复制不受细菌DNADNA复制系统限制，复制系统限制，统的控制；统的控制；仅需仅需DDDPIDDDPI，当宿主蛋白质合成受抑制，当宿主蛋白质合成受抑制 (3)(3)特点是这类质粒可以自传递；特点是这类质粒可以自传递；时（如培养中加入氯要素时），其拷贝时（如培养中加入氯要素时），其拷贝 (4)(4)严谨控制机理（低拷贝原因），认严谨控制机理（低拷贝原因），认 数可猛增至数可猛增至1000-30001000-3000之多，该性质对之多，该性质对 为是该质粒可以产生阻逼蛋白，反馈为是该质粒可以产生阻逼蛋白，反馈 基因工程技术十分有利。基因工程技术十分有
25、利。抑制自身抑制自身DNADNA合成。合成。3 3）分子量小，不具备自传递能力；）分子量小，不具备自传递能力；4 4）基因工程使用松弛型（高拷贝数）基因工程使用松弛型（高拷贝数）质粒，以获得列多的基因产物。质粒，以获得列多的基因产物。*拷贝数（拷贝数（copy number)copy number)细胞所含的按每细胞所含的按每基因组计算的某种质粒或基因的数目。基因组计算的某种质粒或基因的数目。2.2.2.2.按分子量大小，分为按分子量大小，分为按分子量大小，分为按分子量大小，分为2 2 2 2类类类类1 1 1 1）小型质粒，小型质粒，小型质粒，小型质粒，15kb15kb15kb15kb15k
26、b15kb15kb小型质粒，无接合和自传递能力，在按小型质粒，无接合和自传递能力，在按 多属接合型或自传递型，大型质粒只多属接合型或自传递型，大型质粒只合质粒协助也能转移，也可心通过转化合质粒协助也能转移，也可心通过转化 能通过细菌的接合作用人一个细菌能通过细菌的接合作用人一个细菌作用进入受体细胞，这类质粒种类较多，作用进入受体细胞，这类质粒种类较多，传到另一个细菌。（如传到另一个细菌。（如F F质粒）。质粒）。几乎每种细菌都可以含有几乎每种细菌都可以含有2 2种以上，种以上，基因基因基因基因工程一般用小型质粒。工程一般用小型质粒。工程一般用小型质粒。工程一般用小型质粒。3.3.3.3.按质粒
27、转移方式，分为按质粒转移方式，分为按质粒转移方式，分为按质粒转移方式，分为3 3 3 3类类类类1 1 1 1）接合型质粒）接合型质粒）接合型质粒）接合型质粒（conjugaative plasmidconjugaative plasmid）带有效接触基因质粒，）带有效接触基因质粒，只能使细菌接合只能使细菌接合只能使细菌接合只能使细菌接合，本身，本身不被传递不被传递.2 2 2 2）可移动质粒）可移动质粒）可移动质粒）可移动质粒（mobiliableplasmidmobiliableplasmid）可以被传递，但不能使细菌接合可以被传递，但不能使细菌接合可以被传递，但不能使细菌接合可以被传递，
28、但不能使细菌接合型与可移动性共存型与可移动性共存时，能传递可移动质粒。时，能传递可移动质粒。3)3)3)3)自传递质粒自传递质粒自传递质粒自传递质粒（selftran missible plasmidselftran missible plasmid）兼具兼具兼具兼具1 1 1 1）2 2 2 2）两种功能因而可以自传递）两种功能因而可以自传递）两种功能因而可以自传递）两种功能因而可以自传递，如，如F F质粒。质粒。*转化作用（转化作用（transformationtransformation）这是涉及细菌摄入外源这是涉及细菌摄入外源DNADNA而实现基因转移一种机制。而实现基因转移一种机制。
29、（见第八章）（见第八章）（三）质粒的功能（三）质粒的功能 质粒的功能主要通过质粒本身携带的基因偏码蛋白质表现出来。质粒的功能主要通过质粒本身携带的基因偏码蛋白质表现出来。携带质粒的宿主细胞可表现出相应表型。携带质粒的宿主细胞可表现出相应表型。1.1.1.1.性质粒性质粒性质粒性质粒 即雄性细菌即雄性细菌F F质粒，它本身转到质粒，它本身转到F F-宿主细胞时，使后宿主细胞时，使后者变成者变成F F+，改变宿主细菌性别。，改变宿主细菌性别。2.2.2.2.抗生素抗性抗生素抗性抗生素抗性抗生素抗性 抗药性（抗药性（R R）质粒使细菌产生抗生素抗性，这种）质粒使细菌产生抗生素抗性，这种抗药性抗性基因
30、也可以转移到缺乏这种抗药基因的细菌体内，使抗药性抗性基因也可以转移到缺乏这种抗药基因的细菌体内，使之产生抗药性。之产生抗药性。3.3.3.3.产生毒素的质粒产生毒素的质粒产生毒素的质粒产生毒素的质粒 如如colcol质粒能产生大肠杆菌素因子质粒能产生大肠杆菌素因子（colicincolicin），杀死不合该毒素的亲缘细菌。），杀死不合该毒素的亲缘细菌。4.4.4.4.降解复杂的有机化合物作为能源质粒。降解复杂的有机化合物作为能源质粒。降解复杂的有机化合物作为能源质粒。降解复杂的有机化合物作为能源质粒。5.5.5.5.产生限制和修饰酶。（见第八章）产生限制和修饰酶。（见第八章）产生限制和修饰酶。
31、（见第八章）产生限制和修饰酶。（见第八章）（四）质粒的基本特性（四）质粒的基本特性 1.1.1.1.自主复制自主复制自主复制自主复制 质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响质粒的复制是自主调节的，不受染色体复制调节因素的影响。复制调控系统由质粒上的复制起点（复制调控系统由质粒上的复制起点（oriori），质粒的），质粒的reprep基因和基因和copcop基因组成。基因组成。Rep Rep蛋白启动质粒的复制，蛋白启动质粒的复制，copcop基因本身或其表达产物可抑制复制作用，从
32、基因本身或其表达产物可抑制复制作用，从而控制质的拷贝数。而控制质的拷贝数。2.2.2.2.质粒的不相容性质粒的不相容性质粒的不相容性质粒的不相容性 利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内利用相同复制系统的质粒不能共存于同一个细胞内。PMBPMB和和COLEICOLEI是两个密切相关的复制调控系统，带有是两个密切相关的复制调控系统，带有PMBPMB和和COLEICOLEI复制调控系统复制调控系统的质粒是不相容的。但它们与带有的质粒是不相容的。但它们与带有PSC101PSC101或或P15AP15A复制调
33、控系统是完全相容的，复制调控系统是完全相容的，可以共存于一个细胞内。不相容性使质粒能够很容易被克隆。可以共存于一个细胞内。不相容性使质粒能够很容易被克隆。3.3.3.3.质粒的转移性质粒的转移性质粒的转移性质粒的转移性 在自然条件下，在些质粒可以通过细菌接合作用在细菌在自然条件下，在些质粒可以通过细菌接合作用在细菌细胞向传递。基因工程中常用的质粒载体缺乏转移所需的基因（细胞向传递。基因工程中常用的质粒载体缺乏转移所需的基因（mobmob基因），基因），不能通过接合作用在细胞间传递，但可采用人工方法转化到细菌细胞中。不能通过接合作用在细胞间传递，但可采用人工方法转化到细菌细胞中。三三三三.转位因
34、子转位因子转位因子转位因子 转位因子（转位因子（转位因子（转位因子（transposable elementtransposable elementtransposable elementtransposable element）即可移动的即可移动的基因成分（可移动基因，基因成分（可移动基因，movable gene mobmovable gene mob），是指能够），是指能够在一个在一个DNADNA分子内部或两上分子内部或两上DNADNA分子之间移动的分子之间移动的DNADNA片段。在片段。在细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动的细菌中指在质粒和染色体之间或在质粒和质粒之间移动
35、的DNADNA片段（文献上有时形象地称其为是片段（文献上有时形象地称其为是跳跃基因跳跃基因，jumping jumping genegene）。转位也是）。转位也是DNADNA重组的一种形式。重组的一种形式。移动基因最早由美国冷泉港实验室（移动基因最早由美国冷泉港实验室（cold spring Harbor cold spring Harbor LaboratoryLaboratory）的女科学家于上个世纪）的女科学家于上个世纪4040年代晚期在玉米中首次年代晚期在玉米中首次发现的。发现的。6060年代，为研究大肠杆菌高效突变实验证实。年代，为研究大肠杆菌高效突变实验证实。19831983年年
36、荣获诺贝尔生物学医学奖。荣获诺贝尔生物学医学奖。（一）转位因子的种类及特征（一）转位因子的种类及特征 细菌的转位因子包插入序列，转座子及可转座的噬菌体。细菌的转位因子包插入序列，转座子及可转座的噬菌体。1.1.插入序列（插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS）IS IS的形体图的形体图TSTranspcsase geneTSIRIRTS target site靶位点靶位点Transposase gene 转位酶基因转位酶基因IR inverted repeated 反向（倒反向（倒转重复顺序）转重复顺序）（1 1）ISISISIS是一类较
37、小的转位因子是一类较小的转位因子是一类较小的转位因子是一类较小的转位因子，长度约，长度约700-2000bp700-2000bp，按发现顺，按发现顺序序IS1IS1、IS2IS2命名，命名，只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，只携带转移的必需基因，不含有其它偏码蛋白质结构基因，本身没有表型效应。本身没有表型效应。（2 2）ISISISIS两侧为反向（倒转）重复顺序（两侧为反向（倒转）重复顺序（两侧为反向（倒转）重复顺序（两侧为反向（倒转）重复顺序（16-41bp16-41bp16-41bp16-41bp），中间为转），中间为转），中间为转），中间为转位酶基因位酶基因位酶基因位酶
38、基因，在插入新的位点侧有在插入新的位点侧有3116p3116p顺向重复顺序（顺向重复顺序（directw directw repeated sequencedkrepeated sequencedk）,DR,DR是靶位点序列复制的产物。是靶位点序列复制的产物。（3 3）ISISISIS到处活动，到处活动，到处活动，到处活动，可以插入到染色体的各个位置上，也可以插可以插入到染色体的各个位置上，也可以插入到质粒和某些噬菌体基因组上，甚至同一基因不同位点上。入到质粒和某些噬菌体基因组上，甚至同一基因不同位点上。这种插入作用可以双向进行，可以是正向，也可以是反向插入这种插入作用可以双向进行，可以是正向
39、，也可以是反向插入ISIS这种移动方式称为转位作用（这种移动方式称为转位作用（transpositiontransposition）。）。（4 4）在一个世代的在一个世代的在一个世代的在一个世代的107107107107细菌中有细菌中有细菌中有细菌中有1 1 1 1次插入。次插入。次插入。次插入。*TR*TR（反向倒转重复序列）：（反向倒转重复序列）：GGAAGGTGGAAGGT、ACCTTC ACCTTC CCTTCCA CCTTCCA、TGGAAGGTGGAAGG*DR*DR（正同向重复序列）：（正同向重复序列）：TACGTTACGTTACGTTACGT2.2.转座子（转座子（transp
40、oson,Tntransposon,Tn）(1)Tn(1)Tn是一类较大的可移动成分，除是一类较大的可移动成分，除mob genemob gene外，尚含有其它基因，外，尚含有其它基因，如抗药基因等。如抗药基因等。TnTn是在研究抗药基因中发现的，由此知道抗药基是在研究抗药基因中发现的，由此知道抗药基因可在质粒之间，质粒与染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之因可在质粒之间，质粒与染色体之间或质粒与可转座的噬菌体之间来回移动，间来回移动，TnTn的转位原理和的转位原理和IsIs基本相同，转位频率为基本相同，转位频率为1010-3-31010-6 6/拷贝。拷贝。(2)(2)根据结构特征的不同，根据
41、结构特征的不同，TnTn可以分为可以分为2 2个亚类：个亚类：复合型复合型Tn:Tn:转座酶由转座酶由ISIS编码，编码，ISIS可以是反可以是反向（或正向）重复构型。向（或正向）重复构型。TnA:TnA:数个结构基因（数个结构基因（mobmob、mdrmdr等）十等）十IRIR组成。组成。Structural genesIRIRStructural geneIS1IS13.3.可转座的噬菌体（可转座的噬菌体（transposable phagetransposable phage）(1)(1)包括包括包括包括MuMuMuMu和和和和D108D108D108D108两种噬菌体，是一类温和噬菌体
42、两种噬菌体，是一类温和噬菌体*。(2)(2)感染细菌后，可以整合到细菌染色体中，插入位点是随感染细菌后，可以整合到细菌染色体中，插入位点是随机的（而入机的（而入phagephage插入位点是专一的），可以插到结构基因插入位点是专一的），可以插到结构基因内部，引起突变，内部，引起突变，MuMu即即Mutator(Mutator(突变子突变子)因此得名。因此得名。(3)(3)插入部位的插入部位的2 2侧有短的侧有短的DRDR，插入时，一个拷贝留在原位，插入时，一个拷贝留在原位，新合成的拷贝插入新的部位。新合成的拷贝插入新的部位。(4)(4)和和ISIS，TnTn相比，相比，MuMu末端不含末端不含
43、IRIR，这是可转座成分的一个，这是可转座成分的一个例外。例外。*噬菌体（噬菌体（phagephage）是侵袭细菌的病毒，主要由蛋白质和核酸是侵袭细菌的病毒，主要由蛋白质和核酸组成。噬菌的生活周期分为组成。噬菌的生活周期分为溶菌周期和溶菌周期和溶原周期。溶原周期。溶原性噬菌体（温和噬菌体）溶原性噬菌体（温和噬菌体）宿主菌宿主菌将自身将自身DNADNA整合到细整合到细菌染色体中菌染色体中和细菌染色体一起复制和细菌染色体一起复制随细菌增殖传到细菌子随细菌增殖传到细菌子代中去，不产生子代代中去，不产生子代Phage.Phage.(二二)转位作用的机理转位作用的机理1.1.复制性转位机理复制性转位机理
44、共联体生成和解离，靶序列的切割与复制。共联体生成和解离，靶序列的切割与复制。2.2.非复制型转位作用非复制型转位作用转位将供体转位将供体DNADNA转座因子两侧各切断一条单链并与靶序列的两个游离转座因子两侧各切断一条单链并与靶序列的两个游离末端连接，末端连接，随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体随后并没有复制过程，而是由转座酶将供体DNADNA转座因子的另一端也转座因子的另一端也切断，因此在供体切断，因此在供体DNADNA留下一个致死性缺口。留下一个致死性缺口。转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，转座子的两条游离单链在靶位点退火接合，DNADNA聚合酶项平缺口。聚合酶项平缺口。（三）转位的
45、遗传效应（三）转位的遗传效应1.1.基因重排基因重排 可能产生可能产生1 1个新的蛋白分子等，基因重排是进化个新的蛋白分子等，基因重排是进化的动力。的动力。2.2.基因突变基因突变 插入到基因内部，可引起插入失活。插入到基因内部，可引起插入失活。3.3.插入位点引入新的基因插入位点引入新的基因 如引进抗药基因。如引进抗药基因。（四）细菌有限制（四）细菌有限制修饰系统修饰系统 细菌的限制细菌的限制修饰系统是分别由特定的基因编码的限制酶修饰系统是分别由特定的基因编码的限制酶和修饰酶组成的二元系统。和修饰酶组成的二元系统。1.1.防御外源性防御外源性DNADNA入侵。入侵。2.2.构成细菌种属和菌株
46、之间交叉繁殖屏障，但又允许外源构成细菌种属和菌株之间交叉繁殖屏障，但又允许外源DNADNA有某些遗漏，利于物种进化。有某些遗漏，利于物种进化。3.3.基因工程重要的工具酶。（基因工程重要的工具酶。（350/400350/400）甲基化酶甲基化酶 1.1.保护自身保护自身DNADNA不受限制酶切割（限制）。不受限制酶切割（限制）。2.2.影响影响DNADNA分子构象，利于基因表达调控。分子构象，利于基因表达调控。限制酶和甲基化酶辩证关系。限制酶和甲基化酶辩证关系。第二节第二节第二节第二节 真核生物基因组真核生物基因组真核生物基因组真核生物基因组 一一一一.真核生物基因组的结构真核生物基因组的结构
47、真核生物基因组的结构真核生物基因组的结构(一一)真核基因的基本结构真核基因的基本结构1.1.结构基因、内含和外显子、断裂基因。结构基因、内含和外显子、断裂基因。（1 1）结构基因（结构基因（结构基因（结构基因（structural genestructural genestructural genestructural gene）指能转录成为指能转录成为mRNAmRNA、rRNArRNA或或tRNAtRNA的的DNADNA顺序。顺序。（2 2）内含子和外显子内含子和外显子内含子和外显子内含子和外显子 真核生物的结构基因是不连续的，编码序列真核生物的结构基因是不连续的，编码序列被非编码序列打断，
48、在编码序列之间的序列称为内含子被非编码序列打断，在编码序列之间的序列称为内含子（intronintron），编码序列称为外显子（），编码序列称为外显子（extronextron）。）。（3 3）断裂基因（断裂基因（断裂基因（断裂基因（split genesplit genesplit genesplit gene）在真核类结构基因组中，编码顺序被在真核类结构基因组中，编码顺序被许多称为内含子的非编码区分割成几段称之。许多称为内含子的非编码区分割成几段称之。2.2.顺式调控元件顺式调控元件 顺式调控元件（顺式调控元件（顺式调控元件（顺式调控元件（cisacting elementscisacti
49、ng elementscisacting elementscisacting elements）指与结构基因指与结构基因表达调控相关，能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的表达调控相关，能够被基因调控蛋白特异性识别和结合的DNADNA序列。能与顺式作用元件结合调节基因转录活性的蛋白序列。能与顺式作用元件结合调节基因转录活性的蛋白质因子称为质因子称为反式作用因子反式作用因子反式作用因子反式作用因子（transacting factorstransacting factors）。顺）。顺式调控元件有：式调控元件有：（1 1）启动子（）启动子（promoterpromoter）概念：概念：概念：概念：
50、启动子是促进启动子是促进DNADNA转录的转录的DNADNA序列，是序列，是DNADNA分子上可分子上可与与RNA pol RNA pol 特异性识别结合并使之转录的部位，但启动子本特异性识别结合并使之转录的部位，但启动子本身不被转录。身不被转录。功能特点：功能特点：功能特点：功能特点：启动子位于结构基因上游启动子有方向性启动子位于结构基因上游启动子有方向性启动子位于结构基因上游启动子有方向性启动子位于结构基因上游启动子有方向性决决决决定转录方向及那一条定转录方向及那一条定转录方向及那一条定转录方向及那一条DNADNADNADNA链作模板转录链作模板转录链作模板转录链作模板转录（以信息链的互补